智能電網（Smart Grid）指電網的智能化（智能電力），也被稱為“電網 2.0”，它是基於集成的高效雙向通信網絡，採用先進的傳感技術和測量技術，先進的設備技術與控制方法，以及先進的決策支持系統而構建的智能化應用。其具有更好的實時性，更好的運行穩定可靠性，從而實現電網的可靠、安全、經濟、高效運行。為了實現更高效率的電能轉換，發電、輸電、變電、配電、用電等智能化設備設施使用的控制晶片需要具有更高的性能。本文將會向大家介紹基於 NXP MCX N 系列 MCU 的新一代高智能斷路器。
斷路器的定義及分類
『斷路器是從傳統的電閘演變而來，是常見的配電管理設備，是指當迴路發生短路或過流故障時能迅速切斷電源，防止故障擴大，同時也可以作為一般開關使用，實現電能的分配和控制的裝置。
斷路器相關產品和涉及產品種類較多，其中：
- 按電壓等級可分為高壓斷路器和低壓斷路器
- 按電流性質可分為交流斷路器和直流斷路器
- 按滅弧原理可分為空氣斷路器、油斷路器、真空斷路器等
- 按框架結構可分為框架萬能型和塑料外殼式
- 按脫鉤保護構造形式可分為電磁式、電子式、智能型、可通信智能型等
除了上述基本分類之外，其實還可以根據多種用途、分斷速度等維度劃分更細的品類。我們日常生活最能見到的斷路器就是“空氣開關”，又叫做微型斷路器，屬於低壓斷路器，是低壓電器中最重要的保護及控制元件之一，集控制和多種保護功能於一體，當線路正常工作時，作為電源開關接通或分斷電路，當電路發生短路、過載和失壓等故障時，它能自動跳閘切斷故障電路，從而保護線路和電氣設備。下圖是其結構及功能。
- 手動杆，用於手動開合斷路器
- 傳動裝置，將觸點壓在一起或者分開
- 觸點，接觸時用於接通電流，分開則用於斷開電流
- 接線柱，用於進出電力線的連接
- 雙金屬片，用於電流過載的強制觸點分離
- 電磁閥，檢測電流變化迅速分離觸點；
- 滅弧室，用於消滅接通電路時產生的火花。
智能斷路器的定義
智能斷路器在傳統斷路器控制用電線路、保護安全用電的基礎上，引入電磁技術、晶片技術、現場總線技術和微機處理器，斷路器逐漸開始具備智能化，依託各種傳感器技術、微電子技術和各種信息傳輸技術，將控制、計量及通信等功能融於一體，可以更好的完成開斷任務和提高開斷的可靠性，實現斷路器的智能化操作。
更新一代智能斷路器還配有數字化各類通信接口接口，可以將位置、狀態、分合閘指令信息通過各種通信接口協議進行傳輸，還可根據需要加裝顯示模塊、各種通信模塊以及各種檢測模塊，以擴大智能操作斷路器的智能化功能。可以理解為其集過欠壓保護、漏電、浪涌保護、電錶、定時器、多功能儀表等功能於一身。且可以多種線路開關和智能網關組合控制，而且可以通過 PC、APP 端進行遠程控制。』
（作者：移動Labs官方號；出處：https://zhuanlan.zhihu.com/p/404272847）
『新一代的智能斷路器需要具備故障診斷、諧波分析、健康狀態管理、泛在物聯、邊緣計算（ACB）等功能。NXP 新一代 MCX N94x 系列 MCU 採用雙核心 Arm Cortex-M33 設計，同時支持 AI 核心功能，能使斷路器具備故障推測和學習的能力，以及智能交流電弧檢測技術。同時，NXP 提供了 eIQ Porta 工具幫助客戶訓練人工智慧模型，可大大提升斷路器的智能化水平。下圖是基於 MCX N94x 系列 MCU 的智能斷路器框圖。
其中 NXP MCX N94x 採用兩個高性能 Arm Cortex-M33 內核，運行頻率高達 150MHz，提供 2MB 閃存以及可配置的帶完整 ECC 的 RAM、DSP 協處理器、並集成了 eIQ Neutron NPU。與單獨的 CPU 內核相比，NPU 可提供高達 42 倍的機器學習吞吐量提升，從而能夠減少系統喚醒的時間，並降低整體功耗。多核設計通過智能、高效地將工作負載分配到模擬和數字外設，提高了系統性能並降低了功耗。這些器件配備了 MCUXpresso Developer Experience 支持，可優化、簡化和加速嵌入式系統的開發工作。MCX N94x 系列具有更廣泛的模擬和電機控制外設。
下圖是 MCX N94x 的框圖。
下圖是 eIQ Porta工具界面。
同時，MCX N94x 採用雙核心設計，可以實現將斷路器的通信及控制邏輯與實時保護算法分屬在不同的內核中實現。該產品性能和成本較雙晶片方案有明顯的優勢。相較於傳統框架斷路器（ACB）部分產品採用的雙 MCU 方案，雙核心架構的晶片，內核之間通信的速度和效率更高。此外，軟體架構上可採用生產者-消費者模型，一個核心專注於長延時、短延時、瞬動等保護算法的執行，將故障及狀態通過 MCU 內部的 MailBox 提供給另外一個核心獲取。另一個核心獲取並消費這些信息，同時進行一些通信及控制邏輯的實現。如此，一方面保證核心斷路器保護算法的可靠性、實時性；另一方面也提升了諸如應用功能如諧波分析，健康狀態管理，人機界面，泛在物聯等非實時功能的可實現性。
此外，為了最大程度保證斷路器軟硬體的可靠性，符合 IEC61508 及 IEC60730 相關功能安全標準要求，必然成為下一代智能斷路器的技術要求。
下圖是 NXP IEC 60730 功能安全庫的組成。
NXP MCX N94x MCU 針對功能安全的需求專門提供了庫，方便用戶快速集成功能安全的相關功能，功能安全庫按功能劃分主要分為對 CPU 進行測試和對外設進行測試，按工作模式劃分也可分為復位後的單次自檢及在程序運行過程中的定時自檢。復位後單次自檢可包含對看門狗、內部 Flash、RAM、PC指針、程序運行棧及模擬或數字 IO 口的測試。另外在程序運行過程中，除去用戶的應用代碼以外，仍然需要周期性的對 CPU 的寄存器、Flash、RAM、程序運行棧及模擬或數字 IO 口進行自檢測試。斷路器通過部署符合 IEC61508 標準的功能安全，在強電磁干擾的情況下，可有效降低 MCU 及控制系統出錯機率，保證系統軟體功能的可靠性，防止出現誤動作、誤保護的情況。
下圖是其功能安全的執行流程圖。
最後，根據智能斷路器產品性能要求不同，基於 NXP 晶片實現的智能斷路器還具有人機交互、電壓和電流監控測量、繼電器開關控制、ADC 模擬量採集（輔助觸點）、EEPROM 讀寫、液晶顯示等功能。 』（作者：Yuxing，Zihao；出處：https://mp.weixin.qq.com/s/O3rj7R_L_7TK2-ltWpil_w）
參考資料
【1】MCX N94x Introduction：https://www.nxp.com.cn/products/processors-and-microcontrollers/arm-microcontrollers/general-purpose-mcus/mcx-arm-cortex-m/mcx-n-series-microcontrollers/mcx-n94x-54x-highly-integrated-multicore-mcus-with-on-chip-accelerators-intelligent-peripherals-and-advanced-security:MCX-N94X-N54X?cid=wechat_iot_mcx
【2】五分鐘技術趣談 | 智能斷路器的技術原理及行業應用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/404272847
【3】恩智浦MCX N系列MCU助力定義新一代高智能斷路器:：https://mp.weixin.qq.com/s/O3rj7R_L_7TK2-ltWpil_w
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